【摘要】：有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSC),由于其在光伏性能方面優(yōu)良的表現(xiàn)而被研究者廣泛關(guān)注。目前,獲得認(rèn)證的鈣鈦礦太陽(yáng)能光伏器件光電轉(zhuǎn)化效率已達(dá)22.7%。然而獲得較高光電轉(zhuǎn)化效率的PSC普遍采用價(jià)格較高的空穴傳輸材料和貴金屬電極,制作成本較高。此外,高效器件多采用旋涂工藝制備鈣鈦礦吸光層,不利于PSC的大面積制作與生產(chǎn)。對(duì)于無(wú)空穴傳輸層印刷介觀鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(MPSC),采用石墨復(fù)合的碳電極取代金屬電極,同時(shí)摒棄了價(jià)格較貴的有機(jī)空穴傳輸層,降低了PSC的制作成本,避免了因有機(jī)材料分解所造成的器件穩(wěn)定性問(wèn)題。此外,MPSC電池采用簡(jiǎn)單的印刷工藝制備介孔膜,同時(shí)采用滴涂工藝制備鈣鈦礦,解決鈣鈦礦旋涂制備工藝對(duì)器件基底大小的限制,為PSC規(guī)模化生產(chǎn)制作創(chuàng)造了條件。本論文首先利用溶液法制備了陰陽(yáng)離子摻雜鈣鈦礦(5-AVA)_xMA_(1-x)PbI_(3-y)(BF_4)_y并應(yīng)用于無(wú)空穴傳輸層MPSC中。通過(guò)組分優(yōu)化制備出了鈣鈦礦(5-AVA)_(0.034)MA_(0.966)PbI_(2.95)(BF_4)_(0.05),顯著提高了MPSC的光伏性能。研究顯示通過(guò)在碘鉛甲胺(MAPbI_3)前驅(qū)體溶液中同時(shí)引入5-AVAI和MABF_4后,可以調(diào)控鈣鈦礦溶液的結(jié)晶過(guò)程,提高鈣鈦礦的結(jié)晶質(zhì)量,降低鈣鈦礦晶體缺陷,進(jìn)而減少器件中總的復(fù)合損失;另一方面,5-AVAI和MABF_4的引入在獲得高效穩(wěn)定器件的同時(shí),可以改善鈣鈦礦晶體的電荷傳輸性能,減少間隔層厚度對(duì)電荷傳輸?shù)挠绊?從而有利于載流子在MPSC中的分離和傳輸。同時(shí),研究了在MAPbI_3前驅(qū)體溶液中分別加入5-AVAI、5-AVACl或5-AVABr來(lái)制備混合鈣鈦礦,并應(yīng)用到無(wú)空穴傳輸層的MPSC中,研究不同鹵化氨基酸對(duì)器件光伏性能的影響。經(jīng)過(guò)對(duì)比,三種氨基酸器件的光電轉(zhuǎn)化效率(PCE)順序?yàn)镻CE(5-AVAI)PCE(5-AVACl)PCE(5-AVABr)。其次,在(5-AVA)_xMA_(1-x)PbI_(3-x)Cl_x混合鈣鈦礦基礎(chǔ)上研究了MACl和MABF_4取代MAI所形成的混合鈣鈦礦(AFC)器件的光電性能。首先,AFC雙摻雜鈣鈦礦薄膜具有較少的缺陷和較高的結(jié)晶質(zhì)量,進(jìn)而延長(zhǎng)鈣鈦礦體內(nèi)載流子的壽命。其次,分析了(5-AVA)_xMA_(1-x)PbI_(3-x)Cl_x混合鈣鈦礦控制器件和AFC混合鈣鈦礦器件的電流密度-電壓(J-V)響應(yīng)曲線。研究發(fā)現(xiàn)基于AFC組分調(diào)控的混合鈣鈦礦器件具有較快的J-V響應(yīng)速度和較小的遲滯效應(yīng)。強(qiáng)度調(diào)制光電流譜(IMPS)測(cè)試結(jié)果表明,基于AFC混合鈣鈦礦器件具有較快的離子傳輸速度,有助于加快器件J-V測(cè)試的響應(yīng)速度,減小鈣鈦礦器件的遲滯現(xiàn)象。隨后,在MAPbI_3前驅(qū)體溶液中引入LiCl添加劑,制備無(wú)空穴傳輸層印刷MPSC器件。研究表明MAPbI_3前驅(qū)體溶液中加入LiCl后,改變了鈣鈦礦溶液的結(jié)晶過(guò)程,改善鈣鈦礦晶體形貌,提高了鈣鈦礦薄膜結(jié)晶質(zhì)量;另一方面,LiCl共混鈣鈦礦,提高鈣鈦礦體內(nèi)載流子濃度,同時(shí)大幅度增加了鈣鈦礦薄膜的導(dǎo)電性能。共混后的鈣鈦礦器件具有較高的開(kāi)路電壓和填充因子,從而使效率從10%提高到14.5%。最后,研究了在MAPbI_3前驅(qū)體溶液中共混不同鹵代離子化合物(LiCl、LiBr或LiI)后對(duì)MPSC器件光伏性能的影響。研究表明LiCl、LiBr或LiI共混鈣鈦礦材料都可以提高器件的光伏性能,但同時(shí)又具有差異性。與本征鈣鈦礦器件相比,基于LiCl或LiI共混的鈣鈦礦材料對(duì)器件的開(kāi)路電壓、短路電流及填充因子均有明顯提升;而對(duì)于LiBr共混的鈣鈦礦器件在提高開(kāi)路電壓和填充因子的同時(shí),明顯降低了器件的短路電流。XRD研究結(jié)果表明對(duì)于LiBr共混的鈣鈦礦材料,在退火后形成了MAPbI_(3-x)Br_x相混合鈣鈦礦,使混合后的鈣鈦礦帶隙增大。其次,研究發(fā)現(xiàn)LiCl、LiBr和LiI三種不同鹵代離子化合物都可以改善鈣鈦礦結(jié)晶形貌,共混后鈣鈦礦薄膜結(jié)晶質(zhì)量高低順序?yàn)長(zhǎng)iClLiILiBrMAPbI_3。此外,結(jié)果還表明LiCl、LiBr或LiI共混后的鈣鈦礦薄膜的導(dǎo)電性均顯著提高,但以LiCl共混鈣鈦礦的電學(xué)性能最為優(yōu)越。
【圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文部的缺陷，，將會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體內(nèi)的載流子發(fā)生嚴(yán)重復(fù)合，進(jìn)而降低器件的光電轉(zhuǎn)化效率。因此，對(duì)硅半導(dǎo)體材料的純度要求較高，制作環(huán)境的潔凈度要求非常苛刻，制作工藝復(fù)雜、成本較高。這在一定程度上阻礙了晶體硅類太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

層 TiO2進(jìn)行摻雜處理，如 Yang 課題組[80]用釔摻雜的二氧化鈦（Y-TiO2）來(lái)提高界面處的電荷傳輸，獲得了 19.6%的效率；Sargent 課題組[81]用 Cl 包裹的二氧化鈦（TiO2Cl），來(lái)改善電子傳輸層與鈣鈦礦之間的界面接觸，從而減少界面處的復(fù)合，在活性面積為 0.049 cm2條件下獲得了 20.1%的認(rèn)證效率。1.4 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池基本結(jié)構(gòu)有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料，在過(guò)去幾年中被廣泛應(yīng)用于各種不同的光伏器件。由于器件結(jié)構(gòu)種類較多，按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，可以把鈣鈦礦太陽(yáng)能電池劃分為不同的種類。本文中列舉了三種具有代表性的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)：一是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池[41, 44, 59]；二是反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池[40, 82, 83]；三是無(wú)空穴傳輸層介觀鈣鈦礦太陽(yáng)能電池[84]，如圖 1.2 所示。此外，在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和反式結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池中，根據(jù)有無(wú)納米氧化物介孔層又可劃分為：平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池[28, 42, 85和層狀介孔結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池[22, 27, 86]。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM914.4

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 劉通發(fā);全印刷介觀太陽(yáng)能電池間隔層及鈣鈦礦晶體生長(zhǎng)調(diào)控研究[D];華中科技大學(xué);2016年

2 陳江照;介觀太陽(yáng)能電池中吸光材料的設(shè)計(jì)、合成及性能優(yōu)化[D];華中科技大學(xué);2016年

3 劉林峰;介觀太陽(yáng)能電池中非碘電對(duì)、界面修飾及阻抗研究[D];華中科技大學(xué);2015年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 張麗君;介觀太陽(yáng)能電池碳對(duì)電極研究[D];華中科技大學(xué);2015年

本文編號(hào)：2597370